在电子电路小型化、智能化的发展趋势下，印制电路板（PCB）作为电子产品的“母体”，其微过孔填

充效率直接影响着电路互连性能，成为制约电子器件升级的关键问题。

近期，华东理工大学化学与分子工程学院的王利民教授团队取得重要研究进展，设计合成的新型侧链

修饰DPP季铵盐整平剂，在PCB铜电沉积微过孔填充中展现出优异性能，相关研究成果发表于ChemistrySelect，

为电镀添加剂的研发提供了全新思路。

研究背景

电镀整平剂是关键，DPP结构成研究热点 在酸性硫酸盐镀铜工艺中，无控的生产过程极易导致镀层出现凸起、

凹陷等微观缺陷，因此需要加入抑制剂、加速剂、整平剂三类添加剂协同调控，其中整平剂可独立抑制铜沉积，

是解决微观缺陷的核心。  

含氮季铵盐类整平剂因水溶性好、能提高阴极极化，成为近年研究重点；而二酮吡咯并吡咯（DPP）凭借独特

的结构和性能，在铜电沉积中展现出巨大应用潜力。

研究发现，DPP季铵盐的镀铜性能主要由DPP骨架贡献，此次研究则进一步探索了不同含氮基团修饰的DPP季

铵盐，对整平剂性能的影响机制。  

实验设计

合成四种DPP衍生物，多维度测试性能 团队以商用颜料红255为原料，通过溴代、季铵化、阴离子交换等步骤，

成功合成了四种侧链修饰的DPP季铵盐整平剂（1a、1b、1c、1d），并通过电化学测试、理论计算、实际电

镀实验等多维度评估其性能，其中旋转圆盘电极相关测试为核心电化学表征手段： 

采用恒电位/恒电流仪搭建三电极体系，工作电极为5 mm铂旋转圆盘电极（Pt-RDE），对电极为2 mm铂棒，

参比电极为银/氯化银（Ag/AgCl）电极；所有电化学测试的基础镀铜液含60 g/L硫酸铜、100 mL/L硫酸及

140 μL/L盐酸，同时加入聚乙二醇（PEG，MW=10000）为抑制剂、双(磺丙基)二硫化物（SPS）为加速剂；

在进行动电位极化和线性扫描伏安测试前，先将Pt-RDE预处理120 s形成薄铜层，转化为铜旋转圆盘电极

（Cu-RDE），极化测试扫描速率20 mV/s、电位范围0至-0.8 V，循环伏安测试扫描速率50 mV/s、电位范围

1.57至-0.20 V；恒电流测试中电流密度固定为1.5 A/dm²，计时安培法测试则采用5 mm玻碳旋转圆盘电极

（GC-RDE）为工作电极。  

此外，团队还通过密度泛函理论（DFT）计算整平剂分子的前线轨道能量，利用分子动力学（MD）模拟其在

铜（111）表面的吸附行为，结合X射线光电子能谱（XPS）、场发射扫描电镜（FE-SEM）、X射线衍射（XRD）

等手段，完成对整平剂吸附机制、镀层形貌及晶型的全面表征。

核心发现：1d表现最优，多指标印证超强性能 经过一系列测试，四种DPP衍生物均表现出铜沉积抑制效果，

其中化合物1d凭借独特的分子结构，成为性能最优的整平剂，各项指标均显著优于1a、1b、1c：

1.电化学抑制性能突出：循环伏安和极化曲线测试显示，四种整平剂的抑制性能排序为1a<1b<1c<1d，1d在

10 μmol/L浓度下将铜沉积电位提升至-0.27 V，远高于1a的-0.15 V，且在2 μmol/L低浓度下就展现出最强

抑制效果，浓度小幅提升后抑制能力接近峰值； 

图1：添加不同浓度 DPP 衍生物的循环伏安曲线（a:1a；b:1b；c:1c；d:1d；e:2μmol/L 

浓度下 1a-1d 的循环伏安曲线对比）

图2：添加不同浓度 DPP 衍生物的极化曲线（a:1a；b:1b；c:1c；d:1d）

2. 分子吸附能力超强：DFT计算表明，1d的前线轨道能隙ΔE仅为0.188 eV，为四种化合物中最低，意味

着其在铜表面的吸附能力最强；MD模拟显示，1d在500 ps内即可近乎平行吸附于铜（111）表面，吸附

能达-358.1 kcal/mol，远超1a（-126.0 kcal/mol）、1b（-302.9 kcal/mol）和1c（-137.2 kcal/mol）；

 3. 特异性整平效果显著：恒电流测试中，1d在高转速（模拟微过孔外部高传质速率）下的抑制作用显著

强于低转速（模拟微过孔内部低传质速率），产生8 mV电位差，可实现铜沉积的速率均一化，达成微过

孔自下而上的高效填充；

 4. 实际电镀表现优异：1d在PCB微过孔填充实验中基础填充率达97.1%，当浓度为3 ppm时，填充率进

一步提升至101.68%，满足工业生产标准；同时，1d的加入能显著优化镀层晶型，促进最稳定的铜（111）

晶型生长，抑制不稳定晶面形成，让镀层表面更平整。

机制解析：阳离子中心密度是关键，吸附机制明确 团队通过对比分析四种化合物的结构与性能，阐明了DPP

整平剂的构效关系和吸附机制： 

1. 阳离子中心密度决定性能：1b与1c的性能无显著差异，说明氮阳离子中心的额外共轭结构对整平效果无明显

影响；而1c与1d的核心差异在于1d拥有更多阳离子中心，使其吸附于阴极表面的能力更强，能更显著地抑制铜

离子的吸附和沉积，这也印证了相同母体结构下，正电荷位点密度越高，整平剂的吸附和填充性能越优； 

2. 吸附机制为协同作用：XPS分析证实，DPP整平剂在铜表面为“骨架化学吸附+氮阳离子物理吸附”的协同

吸附模式，其中DPP骨架是主要化学吸附位点，其含有的碳、氧元素与铜表面形成Cu─O、C═O化学键；而侧

链的氮阳离子仅通过外电场静电吸引实现物理吸附，无化学结合，因此在阴极表面几乎无氮元素残留。

 研究意义

此研究不仅成功开发出一种性能优异的新型DPP季铵盐整平剂1d，为PCB微过孔填充提供了高效的候选材料，

更重要的是明确了阳离子中心密度是影响DPP类整平剂性能的核心因素，揭示了其吸附和整平的微观机制。  

这一发现为后续新型小分子整平剂的设计与合成提供了关键的理论指导，为电镀添加剂的升级换代奠定了

基础，也将助力电子电路向更小型、更智能的方向发展。